Elektrolyse von Wasser

Mithilfe der Elektrolyse von Wasser kann man Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff trennen. Dabei wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt.Dieser Vorgang ist in unserem Alltag von essentieller Bedeutung. So entsteht bei der Photosynthese von Pflanzen mithilfe der Elektrolyse, der für uns überlebensnotwendige Sauerstoff.

Neben diesem natürlichen Beispiel für die Elektrolyse von Wasser, wird sie vom Menschen oft zur Wasserstoffherstellung verwendet.

Definition Elektrolyse

Im Fall von Wasser kann dafür noch zusätzlich ein Wasserzersetzungsapparat verwendet werden. Beide Methoden laufen gleich ab. Den Aufbau dieser Apparaturen zeigt dir die folgende Abbildung:

Abbildung 1: Schematische Darstellung einer Elektrolyseapparatur

Durch das Anlegen von Strom wandern Elektronen von der Anode, dem Pluspol (rechts im Bild), zur Kathode, dem Minuspol (links im Bild). Beide Elektroden befinden sich in einer Flüssigkeit, die als Elektrolytlösung bezeichnet wird. In der Elektrolytlösung kommen frei bewegliche, geladene Teilchen vor.

Unterschiedliche geladene Teilchen ziehen sich an. Diese Gesetzmäßigkeit kommt auch hier zur Anwendung. Dank des Stromflusses ist die Anode positiv geladen, da sich dort inzwischen mehr Protonen als Elektronen befinden. Durch diese positive Ladung werden negativ geladene Teilchen angezogen. Sie werden als Anionen bezeichnet. Die entgegengesetzten Prozesse finden an der Kathode statt. Hier werden Kationen angezogen.

Dabei wandern Kationen zur Kathode und Anionen zur Anode.

Durch das Anziehen der verschiedenen geladenen Teilchen werden die einzelnen Stoffe nun getrennt. Je nach Reaktion kann dann auf einer Seite ein Gas aufsteigen oder es fällt ein Feststoff an der Elektrode aus. Das ist abhängig von der chemischen Substanz, die du spalten bzw. trennen willst. Bei der Elektrolyse von Wasser steigt zum Beispiel auf beiden Seiten Gas auf.

Ablauf der Elektrolyse von Wasser

Im Rahmen der Spaltung entsteht aus dem Wasser (H₂O) Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂). Dafür kannst du die folgende Reaktionsgleichung aufstellen:

Hierbei handelt es sich um eine Redoxreaktion, da ein Wassermolekül reduziert wird (Elektronen kommen hinzu), während das andere oxidiert wird (Elektronen werden entzogen).

Basis dafür ist das chemische Gleichgewicht des Wassers, dargestellt durch folgende Gleichgewichtsreaktion:

$2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\rightleftarrows {\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}+{\mathrm{OH}}^{-}$

Die Produkte dieser Reaktion sind die frei beweglichen Teilchen in der Elektrolytlösung. Durch ihre Ladung wandern die positiv geladenen Oxonium-Ionen (H₃O⁺) zur Kathode. Hier erhalten sie jeweils ein Elektron, das durch den Stromfluss zum Minuspol gewandert ist. Es entsteht wieder neutrales Wasser und ein zusätzliches Wasserstoff-Atom, das sich mit einem weiteren zu molekularem Wasserstoff (H₂) verbindet. Dieser steigt als Gas nach oben und kann mithilfe der Knallgasprobe nachgewiesen werden.

Da an dieser Stelle Elektronen hinzugefügt werden, ist dies der Teil der Reduktion.

Die negativ geladenen Hydroxid-Ionen (OH^-) hingegen wandern zu Anode. Mehrere Ionen verbinden sich unter der Abgabe von Elektronen miteinander. Es entsteht ebenfalls reines Wasser und Sauerstoff, der als Gas noch oben entweicht. Da in dieser Teilreaktion Elektronen entzogen werden, sprechen wir von einer Oxidation.

Die Einzelreaktionen lassen sich konkret auf diese Weise zusammenfassen:

Teilreaktion	Reaktionsgleichung
Wassergleichgewicht	$8{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\leftrightarrows 4{\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}+4{\mathrm{OH}}^{-}$
Kathodenreaktion
Anodenreaktion
Gesamtgleichung
gekürzt

Elektrolyse von Wasser – Wikrungsgrad

Der Wirkungsgrad dieser Reaktion liegt mit reinem Wasser ungefähr zwischen 60 % und 85 %. Durch die Zugabe bestimmter Stoffe kann dieser selbst noch erhöht werden.

Elektrolyse von Wasser – Energiediagramm

Natürlich vorkommende Elektrolyse von Wasser

Diese Reaktion begegnet uns tagtäglich und ist sogar für unser Überleben essentiell. Im Folgenden siehst du die Reaktionsgleichung der Photosynthese:

Die Sonnenenergie löst dabei eine ähnliche Reaktion aus, wie der Strom bei der Elektrolyse. Wasser wird gespalten und der für so viele Organismen wichtige Sauerstoff entsteht. Dabei ist er im Grunde nur das Abfallprodukt. Für die Pflanzen ist schließlich die Energie entscheidend, die durch die Spaltung entsteht und in Form von Glucose gespeichert wird. Erst mithilfe dieser Energie können weitere Prozesse in Gang gesetzt werden.

Industrielle Elektrolyse von Wasser

Dank der wissenschaftlichen Fortschritte setzt auch die Industrie die Elektrolyse von Wasser ein. Dabei geht es vornehmlich um die Herstellung des Energieträgers Wasserstoff.

Abbildung 3: Elektrolyse von Wasser als Teil erneuerbarer Energien

Wie bereits erwähnt, speichert Wasserstoff sehr viel Energie. So kommen wir zu den folgenden Beispielen, in denen die Wasserspaltung eine Rolle spielt:

• Wasserstoffverbrennung zur Stromerzeugung: Diese Methode klingt zwar bisher vielversprechend, ist aber leider noch nicht ausgereift, um vollständig darauf umsteigen zu können. Es wird allerdings weiter aktiv daran geforscht.

• Methanisierung von Wasserstoff: Indem aus Wasserstoff mithilfe von CO₂ Methan hergestellt wird, kann dieses als synthetisches Erdgas verwendet werden.

• Energiespeicher: Aufgrund der hohen Schwankungen mancher Energiequellen könnte Wasserstoff genutzt werden, um in dieser Verbindung Energie zu speichern, die später für eines der beiden vorherigen Beispiele verwendet wird. Somit kann auch dauerhaft eine stabile Stromversorgung erreicht werden.

• Wasserstoff als Ersatz zum Benzin und Diesel: Besonders in den letzten Jahren steigt der Wunsch nach einer Alternative. Dabei wird eine sogenannte Brennstoffzelle verwendet, um aus Wasserstoff und Luft-Sauerstoff unter Freisetzung von Energie Wasser zu erzeugen. Bisher sind die Brennstoffzellen-Autos noch nicht sehr erfolgreich, doch dank energiereicher Verbrennungsreaktionen steckt durchaus Potential dahinter.